污水源熱泵溫室大棚增溫系統設計研究

摘要：污水源熱泵作為水源熱泵的一種，能夠有效回收污水處理廠排水中的低品位熱能。以盤錦市某城市污水處理廠作為熱源，設計一種污水源熱泵溫室大棚增溫系統，使其能在-16 ℃的寒冷夜晚有效提升溫室溫度至32 ℃，并能精確維持在（21±1）℃的穩定范圍內。通過監測系統的運行功率，發現其實際運行成本低于0.19元/m2。污水源熱泵作為一種清潔、穩定、高效且技術成熟的能源利用方式，具有成本低、效果好、穩定性高的優點，適合在污水處理廠周邊的設施農業中推廣應用。

關鍵詞：污水源熱泵； 溫室大棚； 增溫系統； 可再生能源； 設計

中圖分類號：S-3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2024）06-0043-03

在當前溫室大棚生產中，傳統能源系統面臨能源利用率低下、環境污染嚴重和運行成本高昂等問題。在“雙碳”目標背景下，利用可再生能源實現溫室大棚供冷供暖，構建一個安全、綠色、智慧和高效的能源系統，已成為溫室大棚發展的重要方向。張東等[1]設計了一種耦合太陽能與空氣能利用的可再生能源系統，結果表明該再生能源系統在農業領域中的應用具有顯著的優越性，空氣源熱泵的運行時間和時刻差異是影響系統綜合性能的關鍵因素。吳翠南等[2]研究表明，與燃氣鍋爐和電鍋爐相比，空氣源熱泵系統的總投資和運行成本更低，并且溫室內的熱環境分布更為均勻，這有利于作物生長。李艷斌等[3]在對溫室大棚多能互補能源配比的研究中提出，能源利用的優先級排序為中深層地熱能、地源熱泵、水源熱泵和空氣源熱泵。污水源熱泵作為水源熱泵的一種，能夠有效回收污水處理廠排水中的低品位熱能。以盤錦市某城市污水處理廠作為熱源，選取周邊的1 000 m2玻璃溫室作為研究對象，探討如何利用污水源熱泵技術為溫室提供穩定、高效的熱能供應，從而達到節能減排和提高農業生產效率的雙重目標。

1污水源熱泵溫室大棚增溫系統結構與原理

1.1系統結構

污水源熱泵溫室大棚增溫系統由3個循環系統組成：沉淀池、換熱器、潛水泵組成第一循環；水源熱泵機組、循環泵、換熱器組成第二循環；風機盤管、循環泵、水源熱泵機組組成第三循環。換熱器的作用是隔離污水以保護機組。污水源熱泵溫室大棚增溫系統結構如圖1所示。

1.2工作原理

污水攜帶著余熱在第一循環系統的換熱器中與第二循環系統產生熱交換，熱量交換到第二循環系統后被水源熱泵機組做功提高品位，同時被轉移到第三循環系統，熱量最終在第三循環系統被風機盤管釋放到溫室中。

2污水源熱泵溫室大棚增溫系統設計

2.1方案設計

設計目的：保證冬季溫室溫度達到喜溫作物要求，一般喜溫作物要求環境溫度20～24 ℃[4]。

設計要求：溫室內溫度不低于20 ℃并保持穩定。

設計參數：盤錦市年平均氣溫9.7 ℃，冬季平均氣溫-4.6 ℃，最低氣溫-19.3 ℃[5]。某污水處理廠日處理量2 萬t，冬季排水溫度12～15 ℃[6]。某溫室面積1 000 m²，圍護結構為單層玻璃。

方案設計：使用圖1所示的三循環結構。

設計計算：采用指標法估算，參考張亞紅[7]的研究，溫室最大熱負荷由北向南逐漸減少，其中沈陽處于高值區，單位面積最大熱負荷為262W/m²。盤錦地理位置與沈陽接近，且試驗條件是在極低溫天氣的夜晚環境下進行，因此本方案熱負荷指標同樣取262W/m²，最終估算總熱負荷為262kW。主要設備選型見表1。

2.2方案實施

第一循環系統：潛水泵懸掛于取水池中段水層，并在吸入口處加裝粗過濾裝置，在潛水泵出口端的管道上加裝過濾器；第二循環系統：循環水泵吸入端加裝穩壓罐；第三循環系統：在循環水泵吸入端的管道上安裝保溫水箱，風機盤管在溫室內均勻布置。水源熱泵機組通過電氣控制來實現與水泵聯動，能有效降低運行費用。調試階段根據設計要求，在機組上設置好回水溫度，在風機盤管控制器上設置好目標溫度，這有助于實現系統自動控制。工程一角如圖2所示。

3污水源熱泵溫室大棚增溫系統應用試驗

3.1方法與步驟

試驗方法是采用12h連續運行逐時記錄的方式來測試系統性能。分兩階段進行：第一階段是關閉自動控制，連續運行12h，測試系統能力上限；第二階段是開啟自動控制，設置溫室目標溫度為21 ℃，連續運行12h，測試系統可靠性。測試開始時間均選擇在日落2h后，系統性能監測如圖3所示，系統可靠性監測如圖4所示。

3.2統計與分析

在系統性能測試階段，夜里最低氣溫-16 ℃，平均氣溫-13.5 ℃。系統經過12 h連續運行后，溫室內溫度逐漸上升，最高溫度達到32 ℃，系統性能滿足設計要求。在可靠性試驗階段，夜里最低氣溫-16 ℃，平均氣溫-13 ℃。系統開啟自動控制后經過4 h 升溫，溫室內溫度達到22 ℃，后續保持在（21±1）℃，系統可靠性滿足設計要求。在可靠性試驗階段，溫室達到設置溫度后系統自動進入間歇運行狀態，統計該階段總耗電量約為380 kW/h，按農業每度電費0.5元計算，當天電費為190元，單位面積每天電費為0.19元/m²。試驗是在全年最不利的工況下進行的，耗電量大于常規工況，由此推測冬季平均運行費用低于0.19元/m²。村中污水處理廠一角如圖5所示。

4結論與討論

從試驗結果可以看出，污水源熱泵技術服務于設施農業生產是可行的。在-16 ℃的寒夜中，既能將溫室內溫度提升至32 ℃，又能精確控制溫度穩定在（21±1）℃。通過觀測運行功率，推測污水源熱泵增溫系統的實際運行費用低于0.19元/m²。

污水源熱泵清潔、穩定、高效、技術成熟，是傳統農業能源向新型可再生能源轉型的方向之一。設計中需把握好服務農業的理念，有針對性地制定符合實際生產需要的解決方案。污水源熱泵溫室大棚增溫系統依附于污水處理廠、服務于農業生產，成本較低、效果較好、穩定性佳，但受眾面窄、限制條件較多，適合在污水廠周邊的設施農業中推廣。